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引導尖端科技的「科學神燈」——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/09 ・2691字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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大家都知道,光線是否充足對拍照品質有決定性影響,戶外拍照比起昏暗的室內容易拍到漂亮的相片;然而,光的亮度,對科學實驗也非常重要。

同步輻射是當今世上最亮的光,它的光通量及光亮度都遠優於傳統光源。

正因如此,過去科學家因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構,現在藉由同步輻射都能分析得一清二楚,而原本使用傳統 X 光機可能需要幾個月才能完成的實驗,如今則僅需要幾分鐘就能取得漂亮的實驗數據。

簡言之,同步輻射是在固定軌道上運行的高速電子因磁場作用而偏轉的過程中,所輻射出來的電磁波。相較於其他光源,利用偏轉磁鐵產生的同步輻射,能譜範圍更寬廣,而且擁有高亮度、高穩定度、高準直度、光束截面積小、波長連續、具有時間脈波性與偏振選擇性等特色,輻射強度和功率都可由電磁學的理論計算預測,大幅提高實驗效率和準確度。

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同步加速器光源(簡稱同步光源)是指為了產生供科學實驗的同步輻射所建的設施。一般而言,同步光源會採用兩座同步加速器來產生高品質的同步輻射。第一座加速器把電子加速到接近光速,稱為「增能環」;達到特定能量的電子送進第二座加速器後,不再額外加速,僅維持電子的能量,相當於把這些電子「儲存」起來,累積到足夠的電流量,再利用所產生的光做實驗,因此稱為「儲存環」。

這段過程,電子束在每一圈的運行中,都會在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射,而儲存環中的超高真空環境,讓帶電粒子束不易被其他分子散射,並且有精準的回饋系統,因此光源穩定,容易控制實驗條件,且可聚焦在很小的實驗樣本上,成為科學研究的利器。

在二十一世紀的現代,同步光源的重要已毋庸置疑,然而它並非一開始就受到科學家青睞,甚至還曾遭到嫌棄。

國家同步輻射研究中心。圖/WIKIPEDIA

從附屬品到建置專用設施

從五○年代至今,同步光源的角色,歷經幾個不同世代的演進。

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第一代的同步光源,是與高能物理研究的同步加速器共用,但兩者的研究需求並不相同,甚至背道而馳。

產生同步輻射的過程會損失能量,但在高能物理研究中,並不希望粒子碰撞前產生非必要的能量損失,否則電子束的軌道與功率都會因而改變,所以當時的科學家其實十分討厭「成事不足、敗事有餘」的同步輻射。

不過,在隨後的十年裡,一些科學家逐漸發現,高能物理實驗不用的電磁波其實可以當成頗有價值的光源,運用於光學及探測、生物醫學、材料科學、地球科學、環境科學等基礎和應用研究,從此改變了同步輻射「寄生」在高能物理實驗之下的命運。

到了七○年代,科學家逐漸體認到同步輻射有其優異性,開始想要開發專用的光源設施,獲得更亮、更聚焦的光束,於是先進國家紛紛開始興建專門為產生同步輻射的第二代同步加速器。

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第二代同步光源將增能環與儲存環分開,出光品質較佳,使同步輻射的應用更廣泛、更多樣化;隨著帶電粒子的速度愈接近光速,輻射就愈集中,發出的電磁波涵蓋整個電磁波頻譜,從紅外光、可見光、紫外光、低能量的軟 X 光到高能量的硬 X 光及伽瑪射線。

八○年代之後,科學家開始意識到儲存環的長直段更重要,可以加入插件磁鐵,讓電子由偏轉一次變成多次偏轉,並且壓低束散度,產生更強、更亮的光束,這就是第三代同步光源。

近代科研最具影響力的光源

半個多世紀過去,目前全世界供實驗用的同步光源設施已經超過七十座,其中第三代加速器多於 1990 年後陸續建造完成,各國在同步光源設施的建造能力及研究成果,也成為國家高科技研發實力的重要指標之一。

到了 2015 年,同步光源的發展達到物理極限,進入第四階段,成為採用多重轉彎磁格 2 的同步加速器,可以將電子束的束散度減少百倍,直到觸及繞射物理極限。

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束散度減少百倍,意謂光點更集中,光亮度可以提高百倍,從事奈米級光點研究;同時,光的準直性與同調性也大幅提高,可以發展許多新的科學實驗技術。

同步輻射插件磁鐵運作示意

插件磁鐵讓電子由偏轉一次變成偏轉多次,並且壓低束散度,使產生更強、更亮的光束。圖/國輻中心提供

受惠於同步光源的快速發展,研究人員得以擴展許多新的研究領域,包括:材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等最尖端的基礎與應用科學研究,所獲得的成果對人類科技創新與生活便利帶來諸多貢獻。

隨著愈來愈多科學家使用同步輻射獲頒科學界最高榮耀的諾貝爾獎,有人稱它為現代的「科學神燈」,也是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一。

同步光源主要設備介紹

由注射器產生的高速電子,經由傳輸線進入儲存環,電子在環中經過偏轉磁鐵或插件磁鐵而產生光,藉光束線導引到實驗站,科學家便可使用這束光進行各類實驗。圖/國輻中心提供
  1. 注射器(包括電子槍、直線加速器與增能環)

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為 1 億 5 千萬電子伏特,電子束進入周長為 496.8 公尺的增能環後,繼續增加能量至 30 億電子伏特,速度非常接近光速(0.999999986 倍)。

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  1. 儲存環

電子束從注射器經由傳輸線進入二十四邊形設計、周長為 518.4 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中,在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游產生光束。由於電子會因產生光而損失能量,因此環內裝置超導高頻共振腔系統,用來補充電子的能量。

  1. 光束線

光束線是同步加速器與實驗站之間的一座橋梁。理論上,在每一處電子偏轉處或插件磁鐵的直線下游,都可以打開一個窗口,利用光束線將同步輻射引導出來,進入實驗站。

  1. 實驗站

科學家依據實驗需求設計各種儀器,使用同步輻射進行各類科學研究。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》
天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

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「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

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在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

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——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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為什麼義大利名琴的音色難以複製?
科技大觀園_96
・2021/06/26 ・2165字 ・閱讀時間約 4 分鐘

戴桓青的研究發現,小提琴音色的秘密在於木材經過化學處理。圖/沈佩泠繪

戴桓青小時候學過幾年小提琴,但並不在行;在美國加州理工學院念博士班時,有位會拉小提琴的同學選擇以此為科普文章題目,發現很多名琴研究都是德州農工大學教授納吉瓦里 (Joseph Nagyvary) 所著,兩人決定利用耶誕假期前往拜訪,沒想到從此與小提琴研究締結不解之緣。戴桓青延續已退休的納吉瓦里針對小提琴木材的相關研究,分析名琴修復時留下的木屑,研判小提琴好聽的秘密,可能就存在小提琴的木材中。

名琴的音色秘密在木板?

戴桓青總共分析了八把史特拉底瓦里小提琴 (Stradivarius) 與二把耶穌.瓜奈里小提琴 (Guaneri del Gesù) 的木材,這兩類名琴在製琴界、演奏界皆以音色優美聞名。針對音色的定義,戴桓青表示:「聲音的屬性除了音高跟音量外,其他都叫做音色。音色很主觀,雖然科學家還不知道要怎麼去定義、分析音色,但演奏家對於音色上的共識認知是存在的,很少人會說其他琴比這兩種名琴好聽。」

戴桓青辦公室掛著名琴海報,左側為公認最完美的史特拉底瓦里小提琴。其名為 Messiah,產於 1716 年,保存於英國牛津阿什莫林博物館(Ashmolean Museum)。圖/文詠萱攝

世界上的木材上千萬種,而小提琴的木材萬中選一。前板得使用阿爾卑斯山南麓的雲杉,背板使用來自巴爾幹半島或是義大利平地的楓木。戴桓青針對木材解釋:「先前納吉瓦里教授分析這些名琴的光譜,發現這些製琴師應該不是直接使用天然木材,而是有經過處理,我們延續他的研究。過去針對這些名琴的研究,都是以研究幾何形狀為主,小提琴有很多曲線、細微的比例、木板不平均的厚度等,但大家模仿出來後,還是沒有辦法做到和這些名琴一樣的聲音,所以我們認為往材料的方向研究是正確的。」

製琴小鎮的配方對決

300 年前製琴師都在義大利北部的克里蒙納 (Cremona) 小鎮中製琴,「我們已經發表的論文,主要在分析這幾把名琴的背板楓木,發現木材確實有做過化學處理,但並不確定是由供應木材的供應商所處理,還是由製琴師處理。」

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至於前板雲杉,戴桓青的研究尚未發表,但針對木材處理來源,交叉比對後發現,那些化學處理的痕跡,應為每位製琴師的秘密配方。「近期的研究發現,小提琴三大家族所做出來的琴,配方都很明顯不一樣,也都相當複雜,因此可以排除是由木材供應商處理的可能性。這也相當合理,因為克里蒙納人很少,製琴的人彼此會互相競爭,各自有各自的配方並不奇怪。」

研究人員於小提琴前板與背板刮取木屑,用於研究分析。圖/文詠萱攝

外型幾何容易模仿,但木材的化學處理就很難用肉眼看出來。「配方我們尚未解出來,製琴是一項工藝,順序也是很關鍵的一件事,配方有可能很複雜地先泡再洗掉,還要考慮溫度、pH 值、處理時間等,沒有辦法從現在的化學分析回推工序與配方。」戴桓青用食物當做各家配方的例子:「就像炸雞排,每家店的原料都差不多,但炸出來味道都不一樣,你不可能買一塊雞排回來分析,就知道他的工序。」

影響琴聲音的可能性

也有許多研究是針對名琴的塗漆,想知道漆對聲音的影響,或是模仿名琴塗漆,看看是否能複製出名琴的聲音。對此,戴桓青認為,「塗漆是一定有影響的,上不同的漆會有不同的差別。但研究名琴塗漆這麼多年,漸漸發現裡面的成分都是我們已知的,但就是沒辦法只透過模仿塗漆和模型,複製出名琴的聲音。」

桌上的大書為名琴塗料研究相關書籍,書中分析不同琴的表面塗漆。圖/文詠萱攝

世界上有許多木製的樂器,很少會聽到樂器放越久越好聽。「我問過很多專家,只有兩種樂器會放久了聲音變好聽,一種是中國古琴,另一種就是義大利小提琴。至於為什麼會有這個現象,目前還有沒人理解,需要更多的研究。而有些樂器本來設計就不是可以用很久的,例如古箏。」

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關於小提琴纖維素分子研究,戴桓青團隊利用「同步輻射」小角度 X 光散射探照,發現琴的木頭纖維素是會重新排列的,「我們針對小提琴的木頭分析,發現纖維素分子之間本來有半纖維素把它們區隔開來,但隨著時間過去,半纖維素會自然分解,纖維素會重新排列。至於這件事對聲音的確切影響,目前還不是很清楚,只知道老的琴會有這樣的現象。」

針對這樣的研究,難免有人會懷疑這些名琴是不是真的比較好聽,畢竟這不是隨隨便便就可以聆聽現場演奏的珍品。戴桓青表示:「事實上,確實要近距離地聽很多把名琴來演奏,才能感受到他們的差異。可是通常一位演奏家表演或比賽,只會帶一兩把琴出門。若真的要做相關研究,首先盲測畢竟有其限制,且『音色』是人類很不了解的領域,很難用科學的方法去解釋和比較。」

戴桓青於實驗室介紹研究用樣本小提琴。圖/文詠萱攝
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。